Тема 3 Обмен веществ и превращение энергии

Цель:

- сформировать понятия об обмене веществ как совокупности химических превращений, о ферментативном характере реакций, о структуре и функции АТФ

План:

1 Понятие о метаболизме. АТФ и ее роль в метаболизме.

Пластический и энергетический обмены

2 Фотосинтез. Хемосинтез

1Для химических реакций, протекающих в клетке, характерна организованность и упорядоченность: каждая реакция протекает в строго определенном месте. В клетке обнаружено примерно тысяча ферментов. С помощью этого каталитического аппарата осуществляется сложнейшая и многообразная жизнедеятельность клетки. Все химические реакции клетки подразделяют на два типа. Первый – процессы синтеза, когда из простых низкомолекулярных веществ синтезируются, образуются более сложные, высокомолекулярные. Синтез веществ, идущий в клетке, называется биосинтезом. Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии. Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом или ассимиляцией.

Второй тип химических реакций – реакции расщепления. Сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные на низкомолекулярные. Белки распадаются на аминокислоты, крахмал – на глюкозу. Эти вещества расщепляются еще, и в конце концов образуются совсем простые , бедные энергией вещества: углекислый газ и вода. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии. Совокупность реакций расщепления называется энергетическим обменом клетки или диссимиляцией.

Пластический и энергетический обмены находятся между собой в неразрывной связи. Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т.е. совокупность пластического и энергетического обменов, связанных между собой и с внешней средой, называется обменом веществ и энергии. Этот процесс является основным условием поддержания жизни клетки, источником ее роста и функционирования.

Любая деятельность клетки всегда точно совпадает во времени с распадом АТФ. АТФ – единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки.

Энергетический обмен в клетке для удобства изучения подразделяется на три последовательных этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе крупные молекулы углеводов, жиров, белков, которые попадают в организм с пищей, распадаются под действием ферментов пищеварительной системы на более мелкие молекулы: из крахмала образуется глюкоза, из жиров – глицирин и жирные кислоты, из белков – аминокислоты. Вся освобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. В стенках тонкого кишечника происходит процесс активного всасывания, образовавшиеся молекулы из кишечника попадают в кровь и лимфу, разносятся по всему организму , и путем диффузии проникают внутрь клетки.

Второй этап – бескислородный или неполный обмен. Ферменты, обслуживающие этот процесс, расположены на внутриклеточных мембранах правильными рядами. Вещество, попав на первый фермент этого ряда, передвигается, как на конвейере, на второй, третий и т.д. – вступая на путь дальнейшего распада. Так, в результате бескислородного расщепления глюкозы – гликолиза, образуется из одной молекулы глюкозы две молекулы пировиноградной кислоты. В гликолизе принимают участие 13 ферментов и образуется 12 промежуточных веществ. Почти все эти реакции идут с высвобождением энергии, которая способна запасаться в виде энергии АТФ.

Третий этап – стадия кислородного или полного расщепления, стадия дыхания. Продукты, возникающие в предыдущей стадии, окисляются до конца, т.е. до углекислого газа и воды. Основное условие осуществления этого процесса – наличие в окружающей среде кислорода и поглощение его клеткой. Стадия кислородного расщепления так же каскад ферментативных последовательных реакций. Принципиальное отличие от второго этапа – количество синтезированных молекул АТФ, их гораздо больше.

Таким образом, организм с пищей получает различные высокомолекулярные органические соединения, и на уровне клеток происходит второй и третий этапы энергетического обмена, в результате которого расщепляются вещества, пришедшие в клетку, и запасается энергия в виде молекул АТФ. А затем, с использованием энергии АТФ, клетка начинает синтезировать те молекулы, которые необходимы ей для своей жизнедеятельности – пластический обмен.

2Фотосинтез. Хемосинтез

Фотосинтез – это образование клетками высших растений, водорослей и некоторыми бактериями органических веществ из воды и углекислого газа при участии энергии света. С помощью хлорофилла содержащегося в хлоропластах и хроматофорах, они осуществляют преобразование световой энергии в энергию химических связей.

Различают световую и темновую фазу фотосинтеза. В световую фазу реакции происходят в мембранах хлоропластов на свету. Кванты света – взаимодействуют с молекулами хлорофилла, переводя некоторые его электроны со стабильного энергетического уровня на более высокий. Возбужденные светом электроны способны отрываться от молекул хлорофилла и попадать на молекулы веществ – переносчиков электронов. Перемещаясь по замкнутой цепи сложных органических соединений, электроны возвращаются на свой основной уровень, но отдав энергию, расходующуюся на синтез АТФ. АТФ синтезируется с использованием энергии света из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода.

Одновременно происходит фотолиз воды – процесс разложения воды под влиянием света. В клетках листа и в межклетниках всегда есть некоторое количество ионов Н и ОН, образующихся в результате диссоциации воды, происходящей под влиянием света. Некоторые возвращающиеся на свой стабильный уровень электроны захватываются ионами водорода и превращаются в атомы. Атомы водорода присоединяются к находящемуся в клетке органическому веществу НАДФ, переводя его в восстановленное состояние НАДФ Н₂.

Таким образом, синтез АТФ, фотолиз воды и восстановление НАДФ до НАДФ Н₂ составляют световую фазу процесса фотосинтеза. Энергия квантов света превращается в химическую энергию макроэргических связей АТФ и НАДФ Н₂. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, происходящих в темновой фазе фотосинтеза. В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которой свет не нужен, ключевое место занимает процесс карбоксилирования диоксида углерода и образование органических веществ, происходящее за счет энергии, накопленной в химических связях АТФ и НАДФ Н₂ в световой фазе.

Восстановленные молекулы НАДФ Н₂ участвуют в карбоксилировании СО 2, соединяясь с водородом, образует карбоксильные группы СООН. Из них получается первичное органическое вещество. Все эти ферментативные процессы завершаются получением ФГК, которая восстанавливается, присоединяя атомы водорода, в ФГА. При участии ферментов ФГА образует глюкозу, превращающуюся в первичный крахмал.

Некоторые бактерии, лишенные хлорофилла, тоже способны к синтезу органических соединений, при этом они используют энергию, извлеченную в ходе химических реакций, окисления неорганических веществ, идущих с выделением тепла. Преобразование энергии химических реакций в химическую энергию синтезируемых органических соединений называется хемосинтезом. К группе автотрофов – хемосинтетиков относятся нитрифицирующие бактерии, аммонифицирующие бактерии, серобактерии. Фиксируя атмосферный кислород, переводя нерастворимые минералы в форму, пригодную для усвоения растениями, хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.

Литература:2, т.1, с.307-312

Контрольные вопросы:

1Что называют пластическим обменом в клетке?

2 Что такое диссимиляция?

3 Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза.

4 Что такое хемосинтез?

5 Дайте определение ассимиляции.